成都地铁砂卵石地层盾构带压进舱技术
2009-05-27 19:58
成都地铁砂卵石地层盾构带压进舱技术
［摘 要］根据成都地铁1号线盾构施工实践经验，总结了含水砂卵石地层带压进舱的技术要点。
［关键词］土压平衡盾构；带压进舱；砂卵石地层
成都地铁砂卵石地层石英含量高，刀具磨损快，据施工统计，每掘进130～200m就需进行刀具的检查与更换。由于砂卵石地层含水丰富且气密性差，很难实现敞开式检查和维修保养及刀具更换，通过人舱进行带压作业可以安全快速地解决这一难题。
1 工程概况
成都地铁1号线盾构4标段起于省体育馆站南端，止于火车南站北端，共分为省体育馆路-倪家桥-桐梓林-火车南站3个区间。左线隧道长2 328.2m，采用1台德国海瑞克土压平衡盾构施工；右线隧道长2 572.23m，采用1台德国海瑞克泥水盾构施工；2台盾构均从火车南站始发。
本标段内地表多为第四系全新统人工填土覆盖，其下为全新统冲积层黏性土、粉土、砂土、卵石土，其下为第四系上更新统冰水、冲积层为卵石土夹砂层透镜体；下伏基岩为白垩系上统灌口组紫红色泥岩。
据初勘钻探及探井揭露，漂石最大粒径为270mm；一般含量为5%～10％，局部富集成层高达20%～30%；漂石分布随机性较强，但主要分布于卵石层中下部，一般埋深6.5m以下；漂石单轴极限抗压强度最大值9 4.3 M P a，最小值92.8MPa，平均值93.7MPa。
左线土压平衡盾构在切口里程到达ZDK13+630（582环）,掘进里程到达ZDK13＋630.60停机,准备带压进舱换刀。本次采用带压0.8bar进舱检查更换刀具。盾构始发后至此次带压换刀时累计掘进了582环，前一次换刀后掘进了90环。
2 带压进舱原理
经过对刀盘前方地层进行处理后，在保证刀盘前方周围地层和土舱满足气密性要求的条件下，通过在土舱建立合理的气压来平衡刀盘前方的水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入的目的，为在土舱内进行检查刀盘刀具和更换刀具创造工作条件。其工作原理如图1所示。
3 准备工作
3.1 设备及材料准备
成都地铁砂卵石地层的气密性差，为保证土压平衡盾构带压进舱气压的稳定，除了要确保保压系统设备的完好外，还应具备大容量空压机和膨润土泥浆。
1）大容量空压机 准备较大容量的空气机，以加强压缩空气的供给。成都地铁在带压进舱前准备了30m3/h的空压机。
2）地层封堵用泥浆 对盾构土舱周围的土体采用泥浆进行封堵，以减少气体逃逸。封堵地层间隙的材料应严格按相关要求进行进货检验，并按要求搅拌均匀。成都地铁盾构带压进舱用于封堵的材料为泥浆，其配合比见表1。
3.2 注浆封堵
带压进舱主要应保证刀盘前方周围地层和土舱满足气密性要求，因此封堵效果及进行封堵的位置至关重要，带压进舱前主要应对以下几个部位进行注浆封堵：①利用盾构中体、前体上四周的润滑孔，对盾构主机周围进行注浆封堵，以防止压缩空气从盾壳与地层之间逃逸。②利用盾构上的加泥系统，对掌子面进行封堵。在掘进进舱里程前5环（第578～582环）时，加入泥浆对开挖碴土进行改良,以便在盾构开挖直径的四周能渗透一定厚度的泥浆，从而填充带压进舱时土舱周围土体的空隙。
3.3 碴土置换
带压进舱前确保加泥系统做好注浆准备（需要注浆口和排浆口），确保准备的膨润土泥浆量至少为土舱容量的70%。
掘进到进舱里程后，停止掘进，这时土舱内充满已得到很好改良的碴土。用泥浆置换土舱内的砂卵石，通过螺旋输送机将土舱内的碴土排空。在排碴的同时，通过加泥系统向土舱的顶部泵送膨润土稠泥浆。泥浆的压力必须高于预定的进舱气压，泥浆的压力可通过土舱内的土压传感器进行持续监测，应比地下水压力高1.2～1.4bar。当螺旋输送机出来的碴土中砂卵石含量非常少时，停止出碴，继续向土舱内注入泥浆，让泥浆充分渗透到地层，形成泥膜。为防止刀盘面板前的掌子面无泥浆渗透，可慢速转动刀盘5°～10°。
3.4 泥浆置换
启动自动保压系统，用气体置换泥浆。缓慢打开进气阀，土舱内的压力上升，气压开始上升时，启动螺旋输送机排空土舱。为保证土舱内压力的稳定，一定要将螺旋输送机的舱门开度放小，缓慢置换。
3.5 土舱气密性试验
当土舱内的膨润土泥浆排完且土舱气压稳定后，可以开始进舱作业。带压作业时，通过土舱气压来抵抗掌子面的水土压力，土舱气压的设定至关重要。过低则不能有效抵抗水土压力，泥膜将被破坏，地下水将渗入土舱内，并同时带入大量的流沙，使掌子面不稳定，易造成坍塌事故；过高则压缩空气将冲开封堵的泥膜从地层中会逃逸，易造成地面喷发事故。
进舱压力根据地下水位和地质条件确定，一般进舱压力至少应比地下水压高0.6bar。为确保带压作业人员的安全，必须合理设定土舱的气压，进舱前应进行气密性试验。成都地铁盾构4标施工时，带压进舱前进行了3小时气密性试验，见表2。开始时气压设为1bar，发现气体逃逸太快，达20m3/h；后降低至0.85bar时，气体逃逸减慢，气体补充量小，约10m3/h；降至0.8bar时，补气量较小，土舱压力最为稳定；因此进舱压力设定为0.8bar。
4 带压进舱
4.1 人舱气密性试验
人舱是作业人员出入土舱进行维修和检查的转换通道，出入土舱的工具和材料也由此通过，通常情况下人舱处于无压模式，带压作业时处于加压模式，而气密性试验是通过升压、降压试验来检查人舱门、土舱门、舱壁上各种管路是否漏气。根据现场经验，从0升压（不装消音器）至设计值不超过10min即为合格；降压操作过程中通常会出现土舱门漏气现象，造成气压降不到0，现场实践得出若降压后气压能小于0.3bar则为安全，若气压降不到0.3bar以下，则需要带压进行土舱门密封的处理。
4.2 带压进舱检查
为了进一步判断掌子面的地质情况和刀盘刀具磨损情况，首先由专业工程技术人员带压进舱对掌子面的地质情况和稳定性进行检查、确认，同时对刀盘、刀具磨损情况进行检查，确定换刀方案和各种带压换刀前的各项准备工作。
4.3 带压进舱作业
先将作业所需工具、刀具等物品全部运入主舱，以免动用准备舱。作业人员进入主舱室。带压作业中应注意作业的上部有没有孤石，如果有，要及时做出处理。成都砂卵石地层，泥膜对土舱的密闭性起着非常重要的作用。进舱做业注意不要破坏泥膜，如果破坏，应及时调泥浆修复。要经常观察泥膜有无龟裂现象，如严重，要退出再次进行泥浆置换，形成泥膜。
一般情况下，每组有效带压作业时间为3h左右（带压作业，人体很容易疲劳），工作结束后按既定的减压方案进行减压、出舱，下一组人员进舱。
换刀工作完成后，作业人员要将土舱内所有的铁制工具拿出舱外，机电技术人员要对所有的刀具安装质量进行检查，确认无误后关闭土舱门恢复推进。
5结 语
成都地铁带压进舱的技术要点主要有两方面，一是通过气压抵抗地下水土压力，阻止地下水向土舱内流动，以确保砂卵石地层的自稳；二是通过泥膜渗透来提高砂卵石地层的气密性。防止开挖面坍塌和确保开挖面地层的气密性是含水砂卵石地层带压作业安全的关键，是成都地铁带压进舱作业成功的关键。
成都地铁1号线大部分线路在成都市南北主干道下，为减少地铁施工对城市交通的影响，在成都地铁施工中进行刀具的检查与更换时，应尽量不采用对地面环境造成不良影响和严重影响地面交通的降水常压进舱作业法，而宜采用带压进舱作业。
[参考文献]
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